JP4824063B2

JP4824063B2 - 半導体素子用パッケージ

Info

Publication number: JP4824063B2
Application number: JP2008240367A
Authority: JP
Inventors: 貴弘岡田; 秀明村田
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2020-03-01
Also published as: JP2008306218A

Description

本発明は、リーク不良やアライメントの狂いが生じ難い半導体素子用パッケージに関する。

半導体素子を収納するパッケージは、例えば、図３に示すように、上面に半導体素子（図示せず）が載置される載置部２を有する金属基体１と、金属基体１上面に載置部２を囲むように接合される横断面四角形の金属枠体３と、金属枠体３の上面に接合されるシールリング４と、シールリング４の上面に接合される金属蓋体（図示せず）によって構成される。金属枠体３には、電気信号入出力端子８が接合され、光半導体素子を収納する場合は更に光信号を外部へ導出するための窓枠９が接合される。なお、金属枠体３上面に、シールリング４を介在させずに、直接、金属蓋体を接合する場合もある。図３で、６はリードである。

金属基体１には、熱応力の発生を抑制するため熱膨張係数が半導体素子或いは半導体素子搭載用セラミックス製基板と近似し、且つ半導体素子から発生する熱を速やかに放散するため高熱伝導性のＣｕ−Ｗ合金などが用いられる。金属枠体３には、熱応力の発生を抑制するため熱膨張係数が金属基体１と近似したＦｅ−Ｎｉ合金やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金などが用いられる。金属枠体３の上面に接合されるシールリング４や金属蓋体にも、やはり熱応力の発生を抑制するために金属枠体３と同じＦｅ−Ｎｉ合金やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金が用いられる。電気信号入出力端子８には主にセラミックスが用いられる。窓枠９には、ガラスやサファイア製のウィンドウ（図示せず）が接合される。

一般に、金属基体１と金属枠体３との接合、および金属枠体３と電気信号入出力端子８または窓枠９との接合にはＡｇろうが用いられ、窓枠９へのウィンドウの接合にはＡｕ−Ｓｎ合金ろう或いは低融点ガラスが用いられる。一方、シールリング４と金属蓋体との接合には、主に、マイクロパラレルシーム溶接（以下シーム溶接と略記する）法が用いられる。このシーム溶接法は、シールリング４の上面に金属蓋体を配置し、２つのローラー状電極を対向する金属枠体３上面に位置する金属蓋体上にそれぞれ押圧しつつ回転移動させて通電溶接する方法である。そして、シールリング４および金属蓋体にはＮｉ、Ａｕなどがメッキされており、前記シーム溶接法では、前記Ｎｉ、Ａｕなどのメッキ層が溶融することにより溶接がなされ、母材（Ｆｅ−Ｎｉ系合金など）は溶融しないため、内部に収納される半導体素子や光部品などへの溶接熱の影響は小さい。金属枠体３上にシールリング４を介在させずに、直接金属蓋体を接合する場合も同様にして接合が行われる。

このようなシーム溶接を行う半導体回路装置用パッケージとしては、例えば特許文献１に記載されている。

特開平９−３２１１６２号公報

前述のように、シーム溶接は、メッキ層が溶融してなされるため、溶接条件が不安定になるコーナー部で溶接不良が生じることがある。これを回避するために、通電量を上げると溶接熱の影響が半導体素子などのアライメントに及ぶという問題がある。特に、近年、光半導体素子用パッケージの需要が増えるにつれて、パッケージ内部に収納される光半導体素子や光学部品などのアライメントに対して、より高い精度が要求されるようになり、例えば、前記シーム溶接の際の熱で光半導体素子を接合しているろう材に僅かなクリープ変形が生じても不良になる場合がある。前記シーム溶接は半導体モジュール製造の最終工程にあたるため、この工程での不良発生は極めて損失が大きく早急に改善すべき重要課題とされている。本発明は、このような状況に鑑み、鋭意研究を重ねてなされたもので、その目的とするところは、通電量を減らしてシーム溶接を行っても高い気密性が安定して得られる半導体素子用パッケージを提供することにある。

請求項１記載の発明は、上面に半導体素子が載置される載置部を有する金属基体と、前記金属基体上面に前記載置部を囲むように接合される横断面四角形の金属枠体と、前記金属枠体の上面に接合されるシールリングと、前記シールリングの上面に接合される金属蓋体とからなる半導体素子用パッケージにおいて、金属枠体の長辺の側壁に設けられた切欠部の深さを電気信号入出力用端子の高さをより若干深く形成することにより、前記シールリングの上面の４辺のうちの少なくとも対向する長辺２辺の中央部が最低点になるように、長手方向に凹状に反りを与えたものであり、少なくとも長辺２辺の最大反り量が長辺の長さのそれぞれ０．２％以下であることを特徴とする半導体素子用パッケージである。

本発明の半導体素子用パッケージは、金属枠体の長辺の側壁に設けられた切欠部の深さを電気信号入出力用端子の高さをより若干深く形成することにより、横断面四角形の金属枠体上面または金属枠体上面に接合されたシールリングの上面の４つの辺のうちの少なくとも対向する長辺２辺の中央部が最低点になるように、長手方向に凹状に反りを所定量与えたものであり、蓋とシールリングを合わせた場合、コーナー部に互いに押し付けあう力が働くためシーム溶接がコーナー部および４つの辺において過不足なく行え、リーク不良やアライメントの狂いが生じ難い。依って、工業上顕著な効果を奏する。

本発明の半導体パッケージは、例えば、図１（イ）に示すように、上面に半導体素子（図示せず）が載置される載置部２を有する金属基体１と、金属基体１上面に載置部２を囲むように接合される横断面四角形の金属枠体３と、金属枠体３の上面に接合されるシールリング４と、シールリング４の上面に接合される金属蓋体とからなる半導体素子用パッケージにおいて、従来フラットであったシールリング４の上面の４つの辺ａ〜ｄのうちの少なくとも対向する長辺２辺を、金属枠体の長辺の側壁に設けられた切欠部の深さを電気信号入出力用端子の高さをより若干深く形成することにより、前記長辺２辺の中央部が最低点になるように、長手方向に凹状に反って凹んでおり、長辺２辺の最大反り量が長辺の長さのそれぞれ０．２％以下のものである。

このように、本発明では、横断面四角形の金属枠体３上面または金属枠体３上面に接合されたシールリング４の上面の４つの辺ａ〜ｄのうちの少なくとも対向する長辺２辺を長手方向に凹状に所定量反らせたので、蓋とシールリングを合わせた場合、コーナー部に互いに押し付け合う力が働くため、シーム溶接がコーナー部および４つの辺において過不足なく行え、リーク不良やアライメントの狂いが生じ難くなる。本発明によれば、仮にコーナー部５の溶接が不安定となってクラックが生じたとしても、コーナー部５では金属蓋体とシールリング上面（或いは金属枠体上面）との間に互いに押しつけ合う力が働くのでクラックの伝搬が抑止され、クラックが貫通してリークに到るようなことがない。また溶接熱の影響も少なくとも対向する長辺２辺が凹状に反っているので小さく抑えることができる。

ここで凹状の反りとは、図１（ロ）に示すように各辺の幅方向の中心における長手方向の表面形状が、辺で低くコーナー部で高い円弧状を呈するものを言う。また最大反り量とは、その両コーナー部を含む平均線が水平になるように換算した場合の最高点と最低点の差である。

本発明において、金属枠体上面またはシールリング上面に形成する凹状の反りを、前記金属枠体上面またはシールリング上面の少なくとも対向する２辺に形成する理由は、凹状に反る辺が１辺のみでは、或いは隣接する２辺のみでは、凹状に反る辺に関わらないコーナー部において金属蓋体の剥離力が働くので、溶接が不安定になり易いためである。溶接の安定を計るためには、凹状の反りを４辺全部に形成するのが望ましいが、少なくとも対向する長辺２辺に形成しておけば、コーナー部で溶接が不安定になるようなことがない。

本発明において、シールリングの少なくとも長辺２辺を含む最大反り量を各辺の長さ（両コーナー部の中心間距離）の０．２％以下に規定する理由は、０．２％を上回ると辺中央部における金属枠体上面またはシールリング上面と、金属蓋体との接合部の剥離力が大きくなり、辺中央部において溶接不良が生じ、気密性が保てないためである。

本発明において、金属枠体上面またはシールリング上面に形成する凹状の反りは、金属枠体上面をプレス機によりプレスするなどの方法により形成することができる。また凹状反りの形状は、中央部が最低点になるように、最大反り部（図１（ロ）の最低点）を辺の中央部に位置させるのが溶接幅がより均等化して望ましい。

以下に本発明を実施例により詳細に説明する。
（参考例）図２に示すように、長さ３０ｍｍ、幅１５ｍｍ、厚み０．８ｍｍのＣｕ−Ｗ合金からなる金属基体１の上に、長さ３０ｍｍ、幅１５ｍｍ、高さ１０ｍｍ、厚み１．０ｍｍのＦｅ−Ｎｉ合金からなる金属枠体３をＡｇろう付けにより接合し、金属枠体３にはリード６を接合した。図２で１０はガラス封止部である。次にこの金属枠体３全面にＮｉおよびＡｕをこの順にメッキし、次いで金属枠体３上面にプレス機で荷重をかけて凹状の反りを形成し、この上面に金属蓋体をマイクロパラレルシーム溶接してパッケージを作製した。凹状の反りは金属蓋体を接合する上面の２〜４辺に形成した。最大反り量は各辺の長さの０．２％以下とした。通電量は通常通りとした。

（比較例１）最大反り量を各辺の長さの０．２％を超える量とした他は、実施例１と同じ方法によりパッケージを作製した。

（比較例２）金属枠体の上面の１辺（長辺）にのみ凹状の反りを形成した他は、実施例１と同じ方法によりパッケージを作製した。

（比較例３）金属枠体の上面に凹状の反りを形成しなかった他は、実施例１と同じ方法によりパッケージを作製した。

（比較例４）通電量を従来の１．５倍とした他は、比較例３と同じ方法によりパッケージを作製した。

参考例発明（参考例）および比較例１〜４で得られた各々のパッケージについて、Ｈｅリーク試験機によりリークの発生率を調べ、またシーム溶接時の金属基体上面の温度上昇を調べた。調査個数は各１００個とした。結果を表１に示す。

（註）ａ：Ｎｏ．１、２、５は対向する２辺（長辺）、Ｎｏ．３は１短辺を除く３辺。Ｎｏ．６は長辺の１辺。
ｂ：従来の通電量に対する倍率。
ｃ：パッケージ１００個の反りを形成した全辺の平均値。
ｄ：○許容値内、△許容値を上回る、×許容値を大幅に上回る。

表１より明らかなように、参考例のＮｏ．１〜４はいずれもリークの発生がなく、また金属基体上面の温度も許容値以下であった。これに対し、比較例のＮｏ．５は反り量が大き過ぎたため反りを形成した辺に溶接不良が生じた。Ｎｏ．６は反りが１辺にしか形成されていないためコーナー部に溶接不良が生じた。Ｎｏ．７、８は反りが形成されてなく、しかも、Ｎｏ．７は通電量が従来と同じためコーナー部に溶接不良が生じ、また金属基体上面の温度も許容値を若干上回った。Ｎｏ．８は通電量を高めたためリーク発生率は低かったが、金属基体上面の温度は許容値を大幅に上回った。

（実施例１）図１（イ）に示したような、長さ３０ｍｍ、幅１３ｍｍ、厚み１．５ｍｍのＣｕ−Ｗ合金からなる金属基体１の上面のほぼ中央に、長さ３０ｍｍ、幅１３ｍｍ、高さ６ｍｍ、厚み１ｍｍのｋｏｖａｒ（Ｆｅ−２９ｗｔ％Ｎｉ−１７ｗｔ％Ｃ合金）製金属枠体３を接合し、金属枠体３の側壁に設けられた切欠部７にはアルミナ製の電気信号入出力端子８を接合し、金属枠体３の別の側壁には光信号導出用の窓枠９を接合し、金属枠体３の上面にはｋｏｖａｒからなるシールリング４を接合して筐体となした。前記接合は全てＡｇろう付けにより同時に行った。次に前記筐体にＮｉとＡｕをこの順にメッキしたのち、窓枠９の内部にガラス質のウィンドウを低融点ガラスにて封着し、次いでシールリング４上面に金属蓋体（図示せず）をシーム溶接してパッケージを作製した。このシーム溶接での通電量は従来の８０％とした。前記シールリング４の上面には、図１（ハ）に示すように、金属枠体の長辺の側壁に設けられた切欠部７の深さと電気信号入出力用端子８の高さを調節することにより様々な反りを形成した。具体的には切欠部７深さを電気信号入出力端子８の高さより若干深くすることによりシールリング４上面を長辺の中央部が最低点になるように凹状に反らした（図１ハ参照）。反り量を非接触式反り測定機にて測定した。

（比較例５）最大反り量を各辺の長さの０．２％を超える量とした他は、実施例２と同じ方法によりパッケージを作製した。

（比較例６）金属枠体の上面の１辺（長辺）にのみ凹状の反りを形成した他は、実施例２と同じ方法によりパッケージを作製した。

（比較例７）金属枠体の上面に凹状の反りを形成しなかった他は、実施例２と同じ方法によりパッケージを作製した。

（比較例８）通電量を従来通りとした他は、比較例７と同じ方法によりパッケージを作製した。

このようにして得られた各々のパッケージについて、リーク測定機を用いてリーク発生率を調べ、またシーム溶接時の金属基体上面の温度上昇を調べた。試験個数は各１００個とした。結果を表２に示す。

（註）ａ：Ｎｏ．１１、１２、１４は対向する２辺（長辺）、Ｎｏ．１５は長辺の１辺。
ｂ：従来の通電量に対する倍率。ｃ：パッケージ１００個の反りを形成した全辺の平均値。ｄ：○許容値内。

表２より明らかなように、本発明例のＮｏ．１１〜１３は、いずれも、金属枠体の長辺の側壁に設けられた切欠部の深さを電気信号入出力用端子の高さをより若干深く形成することにより、少なくとも対向する長辺２辺の中央部が最低点になるように、長手方向に凹状に反りを与えたものであり、シールリング上面に凹状の反りを形成したため通電量を減らしてもリークが発生したりせず、また金属基体上面の温度上昇も許容値以下であった。これに対し、比較例のＮｏ．１４は反り量が大き過ぎたため反りを形成した辺に溶接不良が生じた。Ｎｏ．１５は反りが１辺にしか形成されていないため溶接不良が生じた。Ｎｏ．１６は反りが形成されていないため金属基体上面の温度上昇が許容値を大幅に上回った。Ｎｏ．１７は通電量が従来と同じだが、シールリング上面が凹状に反っていないためコーナー部に溶接不良が生じた。

（イ）は本発明の第１の実施形態（実施例１）を示す斜視説明図、（ロ）は辺の形状説明図、（ハ）は切欠き深さの説明図である。本発明の参考例の実施形態を示す斜視説明図である。半導体素子用パッケージの斜視説明図である。

符号の説明

１金属基体
２金属基体上面の半導体素子載置部
３金属枠体
４シールリング
５シールリング上面のコーナー部
６リード
７金属枠体の長辺の側壁に設けられた切欠部
８電気信号入出力端子
９窓枠
１０ガラス封切止部
ａ〜ｄシールリング上面の４つの辺

Claims

上面に半導体素子が載置される載置部を有する金属基体と、前記金属基体上面に前記載置部を囲むように接合される横断面四角形の金属枠体と、前記金属枠体の上面に接合されるシールリングと、前記シールリングの上面に接合される金属蓋体とからなる半導体素子用パッケージにおいて、金属枠体の長辺の側壁に設けられた切欠部の深さを電気信号入出力用端子の高さをより若干深く形成することにより、前記シールリングの上面の４辺のうちの少なくとも対向する長辺２辺の中央部が最低点になるように、長手方向に凹状に反りを与えたものであり、少なくとも長辺２辺の最大反り量が長辺の長さのそれぞれ０．２％以下であることを特徴とする半導体素子用パッケージ。